(57)【要約】圧力容器アセンブリから流体を放出する方法が開示される。この方法は：圧力容器，圧電装置及び電界発生器を準備するステップと；圧電装置を圧力容器の一部分にシール状態で配置して圧力容器アセンブリを形成するステップと；圧力容器アセンブリ内に加圧下で収められた流体を準備するステップと；電界発生器を使用して圧電装置に電界を印可することにより圧電装置を故障させ，これにより流体を圧力容器アセンブリから放出するステップと；を含む。【選択図】図１
2019502883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力容器アセンブリから流体を放出する方法であって：
圧力容器，圧電装置及び電界発生器を準備するステップと；
前記圧電装置を前記圧力容器の一部分にシール状態で配置して圧力容器アセンブリを形成するステップと；
前記圧力容器アセンブリ内に加圧下で収められた流体を準備するステップと；
前記電界発生器を使用して前記圧電装置に電界を印可することにより該圧電装置を故障させ，これにより前記流体を前記圧力容器アセンブリから放出するステップと；
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって，前記圧電装置に電界を印可するために前記電界発生器を使用するステップが，固定極性電界を発生させて前記圧電装置を故障させることを含む，方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって，前記圧電装置に電界を印可するために前記電界発生器を使用するステップが，交番極性電界を発生させて前記圧電装置を故障させることを含む，方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって，前記交番極性電界を発生させるステップが，前記圧電装置を過熱により故障させるものである，方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法であって，前記交番極性電界を発生させるステップが，前記圧電装置を疲労により故障させるものである，方法。
【請求項６】
請求項３に記載の方法であって，前記交番極性電界を発生させるステップが，前記圧電装置を振動により故障させるものである，方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって，前記交番極性電界の周波数が，前記圧電装置の固有周波数に近似する，方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって，前記圧電装置が使用時に固有周波数帯域を有し，前記交番極性電界の周波数が前記固有周波数帯域の少なくとも一部に亘って変動する，方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって，前記交番極性電界の周波数が前記固有周波数帯域の全域に亘って変動する，方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法であって，前記圧電装置が使用時に固有周波数帯域を有し，前記交番極性電界の周波数が前記固有周波数帯域以下の固定周波数である，方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法であって，前記電界発生器がバッテリーを含む，方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法であって，前記電界発生器がキャパシターを含む，方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の方法であって，前記流体が前記圧力容器内に加圧下で収められているときに，前記圧電装置は圧縮状態にある，方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか一項に記載の方法であって，前記圧電装置が脆弱性である，方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４の何れか一項に記載の方法であって，前記圧電装置がセラミックスよりなる，方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５の何れか一項に記載の方法であって，前記圧電装置が所定の疲労領域を有する，方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって，前記所定の疲労領域が，前記圧電装置の局所的な薄肉化により形成される，方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって，前記所定の疲労領域が脆弱線である，方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって，前記脆弱線が前記圧電装置内に切り込まれる，方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法であって，前記脆弱線が前記圧電装置の成形中に形成される，方法。
【請求項２１】
請求項１〜２０の何れか一項に記載の方法であって，前記圧電装置が前記電界発生器に有線接続される，方法。
【請求項２２】
請求項１〜２１の何れか一項に記載の方法であって，前記圧電装置が前記電界発生器に無線接続される，方法。
【請求項２３】
請求項１〜２２の何れか一項に記載の方法であって，前記圧電装置は，前記圧力容器アセンブリ内に収められた流体に対向する第１面と，該第１面とは逆向きの第２面とを有する，方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって，前記圧電装置における前記第１面及び／又は前記第２面は，湿気の侵入を防止するようにシールされる，方法。
【請求項２５】
請求項１〜２４の何れか一項に記載の方法であって，前記圧電装置は，前記圧力容器に接着されて前記シールを形成する，方法。
【請求項２６】
請求項１〜２５の何れか一項に記載の方法であって，前記圧電装置により前記圧力容器から流体的に分離される入口を有する圧力管を備え，前記圧電装置を故障させるステップは，前記圧力容器アセンブリを前記入口と流体接続する，方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法であって，可膨装置が前記圧力管の出口に接続され，流体が前記圧力管を通して前記可膨装置内に流入可能である，方法。
【請求項２８】
請求項２６に記載の方法であって，前記圧力管は，断面積の比較的大きな第１領域と，断面積の比較的小さな第２領域とを有することにより，流量制御オリフィスを形成する，方法。
【請求項２９】
請求項１〜２８の何れか一項に記載の方法であって，前記圧力容器アセンブリから放出される流体が通過するフィルタを備える，方法。
【請求項３０】
請求項２２に従属する場合の請求項２９に記載の方法であって，前記フィルタは，前記圧電装置と前記可膨装置との間における管路内に配置される，方法。
【請求項３１】
請求項２３に従属する場合の請求項２９に記載の方法であって，前記フィルタは，前記圧電装置と前記流量制御オリフィスとの間における管路内に配置される，方法。
【請求項３２】
請求項２７又は２９に記載の方法であって，前記可膨装置がフロート装置である，方法。
【請求項３３】
請求項２１に記載の方法であって，前記圧力容器がバルブに作動接続され，前記圧力容器からの流体放出により前記バルブの状態を変化させる，方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって，前記バルブは閉鎖状態及び開放状態を有し，前記圧力容器からの流体放出が，前記バルブを前記閉鎖状態から前記開放状態に変化させる，方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載の方法であって，前記バルブは閉鎖状態及び開放状態を有し，前記圧力容器からの流体放出が，前記バルブを前記開放状態から前記閉鎖状態に変化させる，方法。
【請求項３６】
電界発生器と；
流体を加圧下で収めるための圧力容器アセンブリと；
を備え，該圧力容器アセンブリが，
・圧力容器と；
・該圧力容器の一部分とシール係合する圧電装置と；
を備え，該圧電装置に電界を印可して前記圧電装置を故障させることにより，流体を前記圧力容器から放出可能とする，流体放出システム。
【請求項３７】
請求項３６に記載の流体放出システムであって，前記圧電装置が：
第１方向に分極化させた第１圧電素子，及び，第１方向に分極化させた第２圧電素子と；
前記第１圧電素子及び前記第２圧電素子の間に配置された第１電極と；
前記第１電極とは反対側に配置された前記第１圧電素子の側に配置される第１部分，及び，前記第１電極とは反対側に配置された前記第２圧電素子の側に配置される第２部分を有する第２電極と；
を含む，システム。
【請求項３８】
請求項３６に記載の流体放出システムであって，前記圧電装置が：
第１方向に分極化させた第１圧電素子，及び，第１方向とは反対側の第２方向に分極化させた第２圧電素子と；
前記圧電装置の第１側上に配置された第１電極，及び，前記第１側とは反対側に位置する前記圧電装置の第２側上に配置された第２電極と；
を含む，システム。
【請求項３９】
本明細書に記載され，又は添付図面に示される流体放出システム。
【請求項４０】
請求項３に記載の方法であって，前記交番極性電界の周波数が10 kHzよりも高く，好適には50 kHzよりも高い，方法。
【請求項４１】
請求項３に記載の方法であって，前記圧電装置の固有周波数が10 kHzよりも高く，好適には50 kHzよりも高い，方法。
【請求項４２】
請求項１〜３５，請求項４０〜４１の何れか一項に記載の方法であって，前記流体の放出が，前記電界を印加してから100 ms以内，好適には50 ms以内に生じる，方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，圧力容器アセンブリから流体を放出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄圧エネルギシステムは，多くの用途を有する。例えば，輸送の安全性を確保する場合，このようなシステムは緊急事態に際して各種装置を急速膨張させるために使用することができる。このような装置としては，自動車用エアバッグ，航空機用の搭乗者脱出スライド，あるいはヘリコプタ用のフロートシステムが挙げられる。蓄圧エネルギシステムは，緊急事態に際して使用される故に作動の即応性が必要とされる。
【０００３】
蓄圧エネルギシステムは，例えば，加圧されたヘリウム／窒素（He/N）の混合気を充填した密封容器と，その容器壁の一部分を開孔させるための一種の点火機構とを備えることができる。容器周りに配置された集合ノズルにより，非膨張状態で畳まれている可膨装置を容器に接続する。使用に際して，点火機構により容器壁の一部分を穿刺し，加圧He/N混合気をノズル経由で可膨装置に供給してこれを膨張させる。
【０００４】
典型的に，蓄圧エネルギシステムの作動を開始させて特定の装置を膨張させるための点火機構としては，火工式アクチュエータが使用されてきた。
【０００５】
使用に際しては，反応性化学物質である火薬に埋め込まれた導線に通電することにより，火薬を燃焼させる。火薬が燃焼すると，ガスが発生する。燃焼は容器内におけるシールされたキャビティ内に封じ込められ，排ガスの発生により生じた圧力は，容器端部でキャビティ内に嵌合させたピストンに作用する。そのガス圧によりピストンを直線移動させ，その移動は，ダイヤフラムをせん断し，又は中空ピラーを曲げ破断させて，蓄積されていた空圧エネルギを解放するために使用することができる。
【０００６】
火工式アクチュエータの使用は，高度に規制されている。火工式アクチュエータに使用される潜在的危険物質は，取り扱い及び貯蔵が困難である。このような潜在的危険物質は，製造業者及びユーザの何れにおいても，高価で時間を消費するチェック作業を必要とする。また，潜在的危険物質は，耐用寿命が制限されており，交換を必要とする。
【０００７】
圧気式エネルギ蓄積システムを起動させるための代替的な起動機構は，形状記憶合金を使用するものである。形状記憶合金により中空の破断ピラーを引張り破断することにより，圧気の蓄積エネルギを放出することができる。
【０００８】
この場合，形状記憶合金を熱処理の間に引き伸ばし，通常の外気温度下での作動の間，合金がその引き伸ばし寸法を維持する構成とされる。合金は，例えば通電により加熱すると，引き伸ばし前の初期寸法に復元する。その寸法差及びこれに基づく直線力を使用して，中空ピラーを破断させることができる。
【０００９】
しかしながら，形状記憶合金による起動機構は，しばしば作動信頼性に欠けるものである。また，局所的な環境条件が変化する場合，想定外の作動を生じる懸念が残されている。
【発明の概要】
【００１０】
本発明の課題は，簡潔であり，及び／又は信頼性が高く，及び／又は軽量であり，及び／又は比較的コンパクトであり，及び／又は低コストであり，及び／又は迅速に作動させ得る，圧力容器アセンブリからの流体放出方法及びシステムを提供することである。
【００１１】
従って，本発明は，圧力容器アセンブリから流体を放出する方法として：圧力容器，圧電装置及び電界発生器を準備するステップと；圧電装置を圧力容器の一部分にシール状態で配置して圧力容器アセンブリを形成するステップと；圧力容器アセンブリ内に加圧下で収められた流体を準備するステップと；界発生器を使用して圧電装置に電界を印可することにより圧電装置を故障させ，これにより流体を圧力容器アセンブリから放出するステップと；を含む方法を提供する。
【００１２】
別の態様において，本発明は，本明細書に記載され，又は添付図面に示される流体放出システムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
以下，例示として本発明を添付図面に基づいて説明する。
【図１】圧力容器アセンブリから流体を放出するための本発明に係るシステムを示す説明図であり，該システムは本発明方法で好適に使用し得るものである。
【図２Ａ】図１における圧電装置の平面図である。
【図２Ｂ】図１における圧電装置の断面図である。
【図３】本発明方法で好適に使用し得る代替的な圧電装置の断面図である。
【図４】本発明方法で好適に使用し得る代替的な圧電装置の断面図である。
【図５Ａ】圧力容器アセンブリから流体を放出するための本発明に係るシステムの一部分を示す説明図であり，該システムは本発明方法で好適に使用し得るものである。
【図５Ｂ】図５Ａの実施形態を示す説明図である。
【図５Ｃ】図５Ａの実施形態を示す説明図である。
【図５Ｄ】図５Ａの実施形態を示す説明図である。
【図５Ｅ】図５Ａの実施形態を示す説明図である。
【図５Ｆ】図５Ａの実施形態を示す説明図である。
【図６】代替的なシムを示す説明図である。
【図７】本発明方法で好適に使用し得る，圧力容器アセンブリから流体を放出するための本発明に係るシステムの更なる実施形態を示す説明図である。
【図８】本発明で好適に使用し得る直列接続型バイモルフを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は，圧力容器アセンブリ12と，電界発生器30とを含む流体放出システム８を示す。圧力容器アセンブリ12は，主として，圧力容器20と，圧電装置10とにより構成される。
【００１５】
圧力容器20は圧力容器壁22を含む。この容器壁は，その一部が出口26を画定する。
【００１６】
圧電装置10は，セラミックコア11を含む。このセラミックコアは，その第１面50上に電極35が配置され，第２面52上に電極34が配置されている。圧電装置10はシール部材40を含む。このシール部材は，圧電装置を圧力容器20における出口26に対してシール状態に維持するものである。これにより，圧力容器及び圧電装置は圧力容器アセンブリ12を形成する。
【００１７】
電界発生器30は，制御ユニット31，バッテリー36及びキャパシター38を含む。バッテリー36及びキャパシター38は，適宜に電気接続される。特に，キャパシター38は，導線32を介して電極34に，そして導線33を介して電極35に接続される。制御ユニット31は，キャパシター38及びバッテリー36を制御することにより電極34, 35間に，すなわち圧電装置10の両極間に電界を発生させ得るように構成される。
【００１８】
流体放出システム８は，管路壁71を有する管路70に接続される。管路70内にはフィルタ24が配置される。管路70は，比較的に大きい直径Ｄの第１部分72と，比較的に小さい直径ｄの第２部分73とを有する。第１部分72の端部74は，圧力容器アセンブリ12の出口14と接続される。管路70の端部75は，流体受容器60に接続される。
【００１９】
図２Ｂは図１の拡大図であり，図２Ａは図２Ｂにおける矢印Ｈ方向から見た正面図である。これらの図に示すように，セラミックコア11は円形であり，厚さＸを有する。しかしながら，セラミックコア11は領域54において厚さｘまで局所的に薄肉化されている。領域54は，脆弱線を構成するものである。この脆弱線は，圧電装置への刻み込みにより形成することができ，又は圧電装置の成形中に形成することもできる。
【００２０】
流体放出システム８の作動態様を，管路70及び流体受容器60との関連において説明すれば，次のとおりである。
【００２１】
一般論として圧力容器アセンブリ12は流体78，例えばガスで加圧されている。加圧流体78は，当初は圧力容器アセンブリ12からの放出が防止されている。これは，圧力容器20が圧電装置10と同様にシールされており，圧電装置10が圧力容器20に対してシール部材40によりシールされているからである。
【００２２】
この場合，流体受容器60は膨張装置である。膨張装置60を流体78により膨張させるため，電界発生器30は，圧電装置10を故障させるように作動させる。これにより流体78は，圧力容器20から管路70の端部74に流入し，フィルタ24を通過すると共にオリフィス66（直径Ｄ及び直径ｄで画定される）を通過し，更に，管路70の端部75から膨張装置60に流入することにより，膨張装置60を膨張させる。流体78の流れが停止すると，圧力容器20，管路70及び膨張装置60には共通圧力が作用する。
【００２３】
一実施形態において，制御ユニット31は固定極性電界を発生させ，その電界強度は，圧電装置10を故障させて加圧流体78を圧力容器20から放出させるに十分な大きさとする。
【００２４】
更なる実施形態において，制御ユニット31は交番極性電界を圧電装置10に印加して，これを故障させる。このような配置において，圧電装置10は過熱により故障させることができる。すなわち，交番極性電界の強度及び周波数は，圧電装置10内を発熱させ，圧電装置10が強度を喪失して加圧流体78の圧力に抵抗し得なくなる状態とするに十分な大きさとすることができる。
【００２５】
代替的又は付加的に，交番極性電界により圧電装置10に疲労を生じさせてこれを故障させることができる。すなわち，交番極性電界の強度及び周波数は，圧電装置10を前後に屈曲させて疲労クラックを生じさせることにより，圧電装置10を加圧流体78の圧力に抵抗し得ない故障状態とするに十分な大きさとすることができる。
【００２６】
一実施形態において，圧電装置10の形状は，電界の非発生状態で圧電装置10に作用する加圧流体78の圧力により，圧電装置10が圧縮状態とされる形状とすることができる。（例えば，圧電装置10を圧力容器20に向けて突出するドーム形状とし，その第１面50を凸面とし，第２面52を凹面とすることができる。）このような配置の一実施形態において，電界を印加すると，圧電装置10の一部は，加圧流体78の圧力により，及び／又は圧電装置の形状変化により故障直前において一部が引張り状態となる形状に変形させることができる。典型的に，圧電装置10は，引張り力に対して比較的弱く，圧力下で比較的強いセラミック材料で構成することができる。
【００２７】
図１に示すように，電界発生器30はバッテリー及びキャパシターの両者を含む。更なる実施形態において，バッテリーのみを含む構成とすることができる。更なる実施形態において，キャパシターのみを含む構成とすることができる。
【００２８】
図１に示すように，圧電装置10は，電界発生器30に有線交信接続されている。代替的な実施形態において，圧電装置10は，電界発生器30に無線交信接続することもできる。
【００２９】
言うまでもなく，圧電装置が故障すると，加圧流体78により圧電装置の破片又は部分が管路に沿って搬送されることがある。そのような破片が流れ規制オリフィス66及び／又は流体受容器60に達するのを防止するために，フィルタ24が設けられている。フィルタ24は，破片が流れ規制オリフィス66を閉塞又は規制し，また，管路に沿って流れて流体受容器60を損傷する事態を防止するものである。
【００３０】
流れ規制オリフィス66は，オリフィスを通過する流体の流速を制限し，従って流体受容器60の充填速度を制限する。すなわち，流体受容器60が膨張装置である場合，流れ規制オリフィス66は，膨張装置の膨張速度を制限するものである。
【００３１】
図３は，圧電装置10における部品と同一の機能を発揮する部品を有する圧電装置の更なる実施形態を，100が付加された参照数字110をもって示すものである。この場合，圧電装置の一側，すなわち圧電装置における圧力容器20とは反対側又は加圧流体78の流れ方向で下流側に位置する圧電装置の側には，シール142が設けられる。
【００３２】
図４は，圧電装置10における部品と同一の機能を発揮する部品を有する圧電装置の更なる実施形態を，200が付加された参照数字210をもって示すものである。この場合，圧電装置210は，上述したシール142と同様に配置されるシール242を含み，更に，圧電装置210における圧力容器20と対向する側又は加圧流体78の流れ方向で上流側に配置されるシール244を含む。
【００３３】
シール142, 242, 244は，セラミックコアを湿気等から保護するものである。
【００３４】
図５Ａ〜図５Ｅは，圧電装置10における部品と同一の機能を発揮する部品を有する圧電装置の更なる実施形態を，500が付加された参照数字510をもって示すものである。
【００３５】
図５Ａは，出口526を含む圧力容器520の一部を示す。同図には，管路570も示されている。管路570は，シム581が内蔵された凹部580を含む。圧電装置510は，シム581の凹部582（図５Ｅを参照）内に着座している。圧力容器520はスピゴット583を含み，このスピゴット583も管路570の凹部580内に着座している。スピゴット583は環状凹部584を含み，この凹部内にはシール540が着座している。圧電装置510は軸線Ａを有し，圧電装置510は圧力容器520のスピゴット583と管路570との間でボルト等（図示せず）により軸線方向にクランプされる。
【００３６】
すなわち，シール540は軸線方向に圧縮され，加圧流体の圧力容器アセンブリ512からの漏洩を防止する。
【００３７】
凹部582は略円形であり，切欠き部585を有する。シムは，エッジ部587を有する中央孔586を含む。スピゴット583は，対応するエッジ部588を有する。
【００３８】
図５Ｄは，圧電装置510の分解図である。この場合，圧電装置510は，セラミックディスク形態の２つの圧電素子511A, 511Bを含む。セラミックディスク511Aは，第１面550A及び第２面552Aを有する。セラミックディスク511Bは，第１面550B及び第２面552Bを有する。
【００３９】
電極534は略円形であり，外側タブ534Aを有する（図５Ｂを参照）。電極534も，ディスクの中心領域に一連の孔534Bを有する。導線532が外側タブ534Aに電気接続されている。
【００４０】
圧電装置510は，２つの更なる電極535A, 535Bを含む。電極535Aは略円形であり，中央孔535A1を有する。電極535Aも，第１外側タブ535A2及び第２外側タブ535A3を有する（図５Ｂを参照）。
【００４１】
電極535Bは略円形であり，中央孔535B1及び外側タブ535B2を含む。
【００４２】
圧電素子511A, 511Bの第１面550A, 550B及び第２面511A, 511Bは，導電性被覆（図示せず）を含む。この導電性被覆は，導線532又は533への直接接続には不適当である。従って，導線532と，第２面552A及び第１面550B上の導電性被覆との間の電気接続は，電極534を介して行う。同様に，導線533と，圧電素子511Aにおける第１面550A上の導電性被覆との間の電気接続は，電極535Aを介して行う。導線533と，圧電素子511Ｂにおける第２面550B上の導電性被覆との間の電気接続は，電極535A及び外側タブ535A3を介して行う。外側タブ535A3は外側タブ535B2に電気接続され，外側タブ535B2は電極535Bに電気接続され，電極535Bは圧電素子511Bにおける第２面552B上の導電性被覆に電気接続される。
【００４３】
言うまでもなく，導電性被覆は，孔535A1, 535B1及び孔534Bに近接する圧電装置の領域においても，均等な電界を生じさせるものである。
【００４４】
図５Ｄは分解図であり，同図に示す部品は，全てが使用時には互いに機械的に固定されている。
【００４５】
圧電素子511A, 511Bは何れも同一方向に，すなわち本例では軸線Ａ方向に分極されている。
【００４６】
圧電装置510は，外側タブ535Bが切欠き部585と適合するようにシム581内に組み込まれる。凹部582の寸法及び公差と，圧電素子511Bの外径は，圧電装置510がシムに対して同軸となるよう正確に位置決めされるように決定する。シムの外径及び凹部580の内径は，図５Ａに示す組立状態において圧電装置510が管路軸線と正確に整列するように決定する。スピゴット583の外径及び内径は，図５Ａに示す組立状態においてエッジ部588がエッジ部587と正確に整列するように，寸法及び公差を決定する。
【００４７】
流体放出システム508の作動態様は，以下のとおりである。
【００４８】
言うまでもなく，図５Ａに示すように，圧電装置510は加圧流体を圧力容器520内に保持する。すなわち，図５Ａにおける圧電装置510の左側領域は加圧されている。圧電装置510の右側領域は，より低い圧力，例えば大気圧とされている。
【００４９】
概括的に，圧電装置510は，適当な交番電界を印可して励起させることのできる所定の固有周波数を有する。言うまでもなく，固有周波数における十分な励起により圧電装置510を故障させて加圧流体578を放出させるものである。
【００５０】
更に詳述すれば，図５は座標系を表す矢印1, 2, 3を示す。矢印３は，圧電装置の「第３方向」を示し，これは軸線Ａと同一である。また，矢印1, 2は，圧電装置の「第１方向」及び「第２方向」を示す。第１方向及び第２方向は，何れも第３方向に対して直角であり，相互にも直角である。第１方向及び第２方向は，圧電装置510の面と平行である。
【００５１】
固有周波数についての説明の便宜のため，孤立した単一の圧電素子，例えば孤立した圧電素子511Aについて考察する。孤立した圧電素子511Aの一つの固有周波数モードは，第３方向，すなわちＡ軸方向又は長手方向における振動である。別の固有周波数モードは径方向振動，すなわち第１方向及び第２方向における振動である。このような径方向振動は，何れも圧電装置の面内で生じるために面振動である。第３方向における振動電界は，第１方向／第２方向における径方向変位と圧電結合される。これは「面結合」又は「３−１結合」として知られており，材料の圧電特性から生じるものである。第３方向における軸線方向膨張は，３−３結合又は薄肉ディスクについての厚さ結合係数によるものである。薄肉ディスクの面結合係数は，第３方向（ディスク軸線と平行）における電界と，これと同時に半径方向振動から生じる第１及び第２方向における機械的効果との結合を表す。これは，径方向結合として既知である。
【００５２】
厚さ結合係数は，薄くて平坦な物体（例えば圧電素子511A）の第３方向における電界と，第３方向における機械的振動との結合を表す。
【００５３】
典型的に，薄くて平坦な物体，例えば圧電素子511Aの厚さモードの固有周波数は，その長手方向モードの固有周波数よりも高い。すなわち，圧電素子511Aの第１及び第２方向における振動の固有周波数は，第３方向における振動の固有周波数よりもはるかに高い。
【００５４】
このように，圧電素子511Aは種々の固有周波数を有し，そのうちの二つの固有周波数に関しては上述したとおりである。特定の固有周波数の交番電界を印可すると，圧電素子511Aは当該周波数で励起され，当該周波数で振動する。圧電装置510は，孤立した単一の圧電素子ではなく，リム周りで拘束された二つの圧電素子である。それにも関わらず，圧電装置510は種々の固有周波数を有し，特定の固有周波数で励起されたときに特定のモードで振動する。そのモードにおける継続的な振動は，圧電装置510を故障させる。
【００５５】
上述したように，圧電素子511A, 511Bは何れも同一方向，本例では軸線Ａ方向に分極されている。しかしながら，導線532, 533に電圧が印加されると，電極534が電極535Aとの間で第１電界を第１方向に発生し，これと同時に電極534, 535B間で第２電界を，第１電界とは逆向きの第２方向に発生させる。これは，電極535A, 535Bが互いに電気接続され，圧電素子511A, 511Bの外側に配置されているのに対して，電極534Bが圧電素子511A, 511Bの間に配置されているからである。
【００５６】
その効果は，何れの圧電素子511A, 511Bも同一方向に分極されているが，導線532, 533の間の電圧により圧電素子511A, 511B周りで逆向きの電界が生じ，それ故に一方の圧電素子が収縮し，他方の圧電素子は膨張することである。
【００５７】
特定のモード（例えば，孤立した圧電素子の径方向モードの類似するモード）において，圧電素子の固有周波数又はこれに近接する周波数で交番電界を印可すると，圧電装置510は，当該モードで振動して故障に至る。言うまでもなく，圧電素子の異なる固有周波数又はこれに近接する周波数で電界を交番させると，圧電装置は異なるモードで振動するが，依然として故障する。
【００５８】
圧電素子511A, 511Bは，電極535A, 535B及び534と共に並列接続されたバイモルフを形成する。圧電装置510の断面を線図的に示す図５Ｆを参照されたい。同図に示すように，圧電素子511A, 511Bの極性Ｐは同一方向であるが，導線532, 533の間に特定の電圧を印加すると圧電素子511A, 511B内における電界は逆向きとなり，これにより圧電素子511A, 511Bの一方が収縮し，他方が膨張する。
【００５９】
代替的な実施形態において，圧電装置は，直列接続されたバイモルフとして構成することができる（図８を参照）。この場合，圧電素子911A, 911Bの極性Ｐは互いに反転しており，電極534に相当する中心電極が配置される代わりに，絶縁層（例えば，アルミニウム）が配置され，交番電圧は，外側タブ等により互いに電気接続されるものではない外部電極935A, 935Bに印加される。図８から理解できるように，電極935A, 935B間に交番電圧が印加されると，圧電素子911A, 911B内における電界が同一方向となり，これにより圧電素子911A, 911Bの一方が収縮し，他方が膨張する。
【００６０】
図５Ａから理解できるように，圧電装置510は，その周縁部周りにおいてスピゴット583及びシム581の間でクランプされている。しかしながら，エッジ部587, 588の半径方向内側では，圧電装置はクランプされていない。言うまでもなく，圧電装置510におけるエッジ部587, 588よりも半径方向内側の部分は固有周波数を有し，この固有周波数は導線532, 533にその周波数で交番電圧を印加したときに励起することができる。典型的に，圧電素子511A, 511Bの材料はセラミックであり，セラミックは内部ヒステリシスが比較的小さい。図５Ｂ及び５Ｄに示すように，電極534, 535の中央孔536A1, 535B1はシムの中央孔586と略同径である。従って，電極535A, 535Bは，殆んど全てがスピゴット及びシムの間でクランプされ，圧電装置の固有周波数において振動せず，ヒステリシスに寄与するものでなく，それ故に圧電装置510の固有周波数は，何れの電極535A又は535Bにより減衰されるものではない。
【００６１】
電極534の中央領域は圧電装置510の減衰に寄与し得るものであるが，複数の孔534Bを含むのはその中央領域である。従って，圧電装置510の減衰に対する電極534のヒステリシス減衰貢献度は，電極534が孔534Bを有しない場合の貢献度よりも低いものとなる。
【００６２】
すなわち，圧電装置510の中央部分は減衰度が比較的低く，それ故に，導線523, 533に対して交番電圧を印加して中央部分をその固有周波数で励起すると比較的大きな振幅の振動が生じ，この比較的大きな振幅は，圧電素子511A, 511Bの機械的特性に打ち克って圧電素子のクラック形成及び分解を生じさせる。そして，このような分解が生じると，圧力容器20内の加圧流体は導管70内に放出される。
【００６３】
一実施形態において，組立状態における圧電装置510の固有周波数は数十kHzオーダ，例えば60 kHzとすることができる。
【００６４】
固有周波数が比較的高ければ，圧電装置を破裂等により比較的迅速に故障させることができ，例えば圧電装置を10 ms以内に故障させることができる。
【００６５】
圧電装置510の固有周波数は各種の因子に依存する。その因子には，圧電素子511A, 511Bの直径及び厚み，スピゴット583及びシム581の間におけるクランプ力，圧電素子511A, 511Bの材料特性，温度，圧力容器20内の圧力，並びに導管70内の圧力が含まれる。使用時に圧力容器20内の圧力は変動することがある（圧力容器内のおける流体の温度変化による）。また，圧電素子511A, 511Bの温度も変動することがある。従って，使用時の圧電装置510の固有周波数は変動し得るものである。それ故，導線532, 533間に印加される電圧は，圧電装置510の固有周波数を含むものとして既知の，比較的狭い周波数帯域に亘って掃引することができる。例えば，設置状態において圧電装置510の固有周波数が60 kHzであれば，圧電装置510を破裂させるために交番電圧を，55 kHzで開始し，65 kHzで終始する周波数範囲で導線532, 533間に印加することができる。このような掃引は比較的迅速に行うことができ，圧電装置の固有周波数が例えば59 kHzまで降下し，又は61 kHzまで上昇する場合に55 kHz及び65 kHzの間で掃引を行えば圧電装置510を確実に故障させることができる。掃引は55 kHzから65 kHzまで，或いは60 kHzから55 kHzまで行うことができ，換言すれば，掃引の間に周波数は増加させ，或いは減少させるものである。いずれにせよ，圧電素子はその固有周波数で励起され，従って故障に至るものである。
【００６６】
代替的に，圧電装置の使用時における最も低い固有周波数よりもわずかに低い交番電圧周波数を採用することもできる。すなわち，上述した例において，設置状態における固有周波数は60 kHzであっても，使用時における固有周波数は59 kHzと61 kHzの間で変動することがある。周波数が59 kHzよりも僅かに低ければ，例えば58.5 kHzであれば，初めに圧電装置はその固有周波数以下で励起される。しかしながら，圧電装置がその固有周波数以下で励起される場合であっても，励起エネルギにより圧電装置は加熱される。その結果，圧電装置の固有周波数が励起周波数（本例では58.5 kHz）まで低下する。すなわち，上述した第１の例は励起周波数を掃引する（上昇させ，又は降下させる）のに対し，第２の例では圧電装置の固有周波数を変化させ（加熱による），これにより固有周波数を励起周波数まで低下させるものである。
【００６７】
圧電装置を任意の固有周波数で（ずなわち，任意のモードで）励起することの利点は，圧電装置を破壊等により故障させるための所要エネルギが比較的小さいことである。とは言え，圧電装置を固有周波数で，又は固有周波数に近い周波数で振動させることは必須ではない。上述したように，圧電装置は，加熱又は疲労等により故障させることもできる。
【００６８】
上述したように，電極535A及び535Bは単一孔を有し，これにより電極材料を圧電素子511A, 511Bのヒステリシス減衰に寄与させなくする利点が確保される。しかしながら，単一孔は，圧力容器20内の圧力への抵抗に関しては，圧電装置の強度に寄与するものではない。閉じ込めるべき圧力に応じて，一つ又は複数の電極534, 535A又は535Bを，中心孔又は中心孔列（穿孔）を有しない中実ディスクとして構成することが望ましい場合もある。
【００６９】
言うまでもなく，何れかの電極535A, 534, 535Bは単一孔を有する構造，穿孔を有する構造，あるいは中実構造とすることができる。すなわち，バイモルフに関する特定位置に配置される電極には２７通りの組み合わせが考えられる。
【００７０】
上述したように，バイモルフが直列接続される場合，バイモルフは二つの電極と絶縁層を有する。電極の選択肢としては，中実電極，単一孔を有する電極，及び穿孔を施した電極が挙げられる。絶縁層の選択肢としては，中実層，単一孔を有する絶縁層，及び穿孔を施した絶縁層が挙げられる。直列接続されるバイモルフについては，２７通りの組み合わせが考えられる。
【００７１】
図６は，シム581の代わりに使用することのできるシム681を示す。図６を図５Ｅと対比すれば，エッジ部687はエッジ部587よりも丸みが付けられている。エッジ部687の丸み付けにより，このエッジ部に近接して第２面552Bに誘発される局所的応力が低下する。更に，シム681は，エッジ部687のシム領域におけるリップに図５Ｅに示すリップよりも高い可撓性を付与する凹部689を含む。特定の設置状態における設置条件の「チューニング」を行って，特定の設置状態における圧電装置を，コマンドを受けたとき（ずなわち，適切な電界を印加したとき）に故障し，コマンドを受けないときには故障しない配置とすることができる。
【００７２】
図７は，代替的な流体放出システム708を示す。この場合，第１圧力容器720及び第２圧力容器790が設けられる。第２圧力容器790は，第１容積810及び第２容積811を含み，これらは摺動可能なピストン813内に設けられた絞りオリフィス812により互いに接続している。摺動可能なピストン813は，シール815, 816の間に配置される環状溝814を含む。ピストン813は，更なるシール817を含む。図７に示すように，圧力容器720は，シール815, 816間の環状溝814に流体接続される。シール815, 816間に形成されてピストンを包囲する管状領域には，出口818が流体接続されている。
【００７３】
圧電装置820は，第１及び第２容積810, 811内の加圧流体が膨張容積822に到達するのを防止するように作用する。
【００７４】
本例において，圧力容器17は比較的高い圧力，例えば3000 psiに加圧されている。容積822の膨張は比較的低い圧力，本例では15 psi（例えば大気圧）で行われる。第１及び第２容積810, 811は，膨張容積圧と圧力容器720内の圧力との間の圧力，すなわち15 psi及び3000 psiの間の圧力，例えば400 psiに加圧されている。
【００７５】
圧力容器720内の加圧流体は，出口818を介して，下記の要領で放出することができる。
【００７６】
圧力容器720内における加圧流体の放出が必要とされる場合，圧電装置820は，上述した何れかの方法で故障させることができる。圧電装置820が故障すると，膨張容積822が第１容積810に接続される。図７に示すように，膨張容積822は第１容積810と概ね同じであり，当初は第１容積810よりも相当に低い圧力下にある。従って，圧電装置820が故障して第１容積810が膨張容積822に接続されると，第１容積810内の圧力が略半分まで，すなわち約200 psiまで降下し，膨張容積822内の圧力が約200 psiまで上昇する。
【００７７】
図７に示すように，圧電装置820の径方向寸法は膨張容積822の直径に相当するので，圧電装置820が故障すると第１容積810及び膨張容積822の圧力は非常に迅速に均圧化され，本例では200 psiまで変化する。しかしながら，絞りオリフィス812が圧電装置820の直径よりも数桁小さい大きさを有するので，圧電装置820が故障すると，第１膨張容積822を第１容積810と均圧化するのに要する時間は，第２容積811と，第１容積810及び膨張容積822の組み合わせとを均圧化するのに要する時間よりもはるかに短い。そのため，第２容積811内の圧力は，一定の時間が経過するまでは，第１容積810及び膨張容積822の組み合わせにおける圧力よりも相当に高い値を維持する。この時間の間，ピストン813の左側における圧力はピストン813の右側における圧力よりも高い。従って，ピストンの右側における有効面積が左側における有効面積よりも大きいことを考慮しても，ピストンは図７において右向きに移動し，これに伴って環状溝814も右向きに移動して圧力容器720を出口818に流体接続する。
【００７８】
言うまでもなく，故障した圧電装置820からの破片は，出口818からの流れを汚染するものではない。このような汚染は，シール817, 815により防止されるのである。更に，圧電装置820は圧力容器720内の圧力に抵抗する必要がなく，圧電装置820は第１及び第２容積内の圧力に抵抗するだけで足りる。すなわち，本例において，圧電装置820は，3000 psiではなく，400 psiに抵抗するだけで足りる。
【００７９】
そして，圧電装置820が故障すると，第１及び第２容積内に収められていた流体が，その故障の前に圧電装置の占めていたスペースを通過することにより放出される。更に，圧電装置820の故障によりバルブが操作されて，流体が圧力容器720から放出される。このバルブはピストンにより形成され，その作動はピストンの右向きに移動させてバルブを開放する際に生じるものである。
【００８０】
図７は圧電装置の故障に際して開放されるバルブを示すものであるが，出口818をシール815及び814の間に配置すれば，バルブは初期状態で開放状態にある。圧電装置が故障すればピストンが右向きに移動してシール815が再配置された（より小さい）出口818を塞ぎ，これによりバルブが閉鎖される。
【００８１】
更なる実施形態において，フィルタ24を必要としない構成とすることができる。更なる実施形態において，流体の絞りオリフィスを必要としない構成とすることができる。更なる実施形態において，流体受容器60を必要としない構成とすることができる。更なる実施形態において，流体放出システムは流体を圧力容器20から大気中に放出する構成とすることができる。更なる実施形態において，圧力容器20は，加圧流体で膨張させた膨張装置で構成することができる。流体放出システムは，単に加圧流体を環境中に放出するだけで圧力容器20を収縮させる構成とすることができる。
【００８２】
任意の適当な形状，任意の適当な厚さ，及び任意の適当な形態の電極を有する，任意形式の適当な圧電装置を使用することができる。圧電装置は，予定された故障領域を有する構成，又は有しない構成とすることができる。予定された故障領域を有する構成とする場合，その故障領域は，任意の適当な脆弱線により，あるいは任意の適当な態様で故障領域を形成するその他の構成又は形状により構成することができる。
【００８３】
上述したとおり，圧電装置は，加圧流体を圧力容器アセンブリから放出可能とするように故障させるものである。そのために，圧電装置は，部分的又は全体的に分解させて故障させることができる。圧電装置は，圧電装置に１つ又は複数のクラックを形成して故障させることもできる。圧電装置は，圧電装置の一部又は前部を溶解させて故障させることもできる。故障前は，圧電装置は加圧流体の圧力容器アセンブリからの放出を防止する。圧電装置は所定の容積を有し，圧電装置の故障前は当該容積を通しての加圧流体の放出を防止する。圧電装置の故障後，その故障の属性に応じて，加圧流体は，容積の一部又は全部を通して放出することができる。故障は，圧電装置を振動させ，その振動振幅が圧電装置の機械的特性に打ち克つ大きさに達する際に生じさせることができる。
【図１】
2019502883.tif 000003
【図２Ａ】
2019502883.tif 000004
【図２Ｂ】
2019502883.tif 000005
【図３】
2019502883.tif 000006
【図４】
2019502883.tif 000007
【図５Ａ】
2019502883.tif 000008
【図５Ｂ】
2019502883.tif 000009
【図５Ｃ】
2019502883.tif 000010
【図５Ｄ】
2019502883.tif 000011
【図５Ｅ】
2019502883.tif 000012
【図５Ｆ】
2019502883.tif 000013
【図６】
2019502883.tif 000014
【図７】
2019502883.tif 000015
【図８】
2019502883.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月19日(2018.7.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
圧電装置510の固有周波数は各種の因子に依存する。その因子には，圧電素子511A, 511Bの直径及び厚み，スピゴット583及びシム581の間におけるクランプ力，圧電素子511A, 511Bの材料特性，温度，圧力容器20内の圧力，並びに導管70内の圧力が含まれる。使用時に圧力容器20内の圧力は変動することがある（圧力容器内のおける流体の温度変化による）。また，圧電素子511A, 511Bの温度も変動することがある。従って，使用時の圧電装置510の固有周波数は変動し得るものである。それ故，導線532, 533間に印加される電圧は，圧電装置510の固有周波数を含むものとして既知の，比較的狭い周波数帯域に亘って掃引することができる。例えば，設置状態において圧電装置510の固有周波数が60 kHzであれば，圧電装置510を破裂させるために交番電圧を，55 kHzで開始し，65 kHzで終始する周波数範囲で導線532, 533間に印加することができる。このような掃引は比較的迅速に行うことができ，圧電装置の固有周波数が例えば59 kHzまで降下し，又は61 kHzまで上昇する場合に55 kHz及び65 kHzの間で掃引を行えば圧電装置510を確実に故障させることができる。掃引は55 kHzから65 kHzまで，或いは65 kHzから55 kHzまで行うことができ，換言すれば，掃引の間に周波数は増加させ，或いは減少させるものである。いずれにせよ，圧電素子はその固有周波数で励起され，従って故障に至るものである。
【国際調査報告】
2019502883.tif 000017
2019502883.tif 000018